eng
Выпуск #5/2015
А.Медведев, А.Гринкевич, С.Князева
Мультиспектральные системы различного назначения
Мультиспектральные системы различного назначения
Просмотры: 5086
Рассмотрены принципы построения мультиспектральных многофункциональных оптических систем. Проанализированы преимущества получения комплексированных изображений наблюдаемых объектов.
Теги: multichannel system multispectral system one-pupil viewing system optronic device spectral range. диапазон спектра многоканальная система мультиспектральная система однозрачковая система оптико-электронный прибор
И
звестно, что за счет расширения рабочего спектрального диапазона оптико-электронных приборов проектировщики значительно повышают их функциональные возможности. Недаром сегодня одно из самых "модных" слов в оптико-электронной технике – "мультиспектральность". Весьма заманчиво иметь приборы, работающие на определенных частотах во всех диапазонах электромагнитного спектра. Новые мультиспектральные системы объединят в себе все достоинства различных приборов наблюдения.
Например, аналоговые светоусиливающие приборы ночного видения (ПНВ) потребляют очень мало энергии и идеально подходят для длительных действий на открытой местности. Но в полной темноте или при ярком свете такие ПНВ слепнут и уступают место длинноволновым ИК-сенсорам. Но и они, однако, не освобождены от собственных недостатков – не могут видеть через оконные стекла. Зато в задачах обнаружения замаскированного противника, например среди листвы деревьев, коротковолновые ИК-сенсоры (SWIR) незаменимы. Следует отметить, что использование УФ-области спектра также представляется весьма полезным, хотя область применения приборов с такими рабочими каналами значительно уже. Подобные системы позволяют идентифицировать тип ракет противника по спектральному составу излучения компонентов ракетного топлива.
Таким образом, мультиспектральные системы, объединившие достоинства всех спектральных диапазонов, позволят видеть в полной темноте, при ярком освещении, выделять теплоконтрастные объекты, наблюдать картину сквозь оконные стекла днем и ночью, мгновенно переключаясь на необходимую часть спектра. При этом синтез картинки, поступающей с разных сенсоров, открывает уникальные возможности в наблюдении. Новые мультиспектральные приборы нивелируют "несовершенство" человеческого зрения и позволят вести наблюдение, перемещаясь на местности, первым обнаруживать противника, вести прицеливание и стрельбу в условиях, когда затруднена даже ориентация в пространстве. Например, среди зеленого пейзажа ИК-сенсор четко выделит замаскированного снайпера, мины и другие объекты, благодаря физическим различиям по областям спектра.
Безусловно, самый короткий путь к созданию мультиспектральных систем – обладание приемниками излучения, чувствительными в широком спектральном диапазоне, а также принимающей оптикой, прозрачной в аналогичной области спектра. Но это вещи нетривиальные и дорогостоящие. До недавнего времени из-за отсутствия соответствующих технологий, оптических материалов и покрытий о таких оптических системах не говорили всерьез.
Однако времена изменились. Достижения науки, технологические прорывы в производстве материалов и покрытий, создание новых типов фотоприемников позволили всерьез заниматься системами для широкого диапазона спектра. Самым распространенным способом создания мультиспектральных систем до сих пор остается размещение в составе прибора нескольких рабочих каналов, каждый из которых работает в собственном диапазоне спектра и выполняет задачи прицельно-наблюдательного характера, дальнометрирования, а также утилитарные узконаправленные задачи спецназначения, позволяющие в известной степени говорить об "интеллектуальности" изделия. К таким задачам можно отнести поиск, распознавание и сопровождение целей.
Разработке многоспектральных оптико-электронных приборов в настоящее время уделяется большое внимание. Достаточную известность получила система, разработанная компанией TRW с 384 спектральными рабочими диапазонами. Система испытывалась на борту беспилотных разведывательных летательных аппаратов, предназначенных для обнаружения танков, пусковых ракетных установок и других военных объектов, замаскированных на сложных фонах. Известны также системы, стоящие на вооружении армии США: SYERS (Senior Year Electrooptical Reconnaissance System), работающая на борту самолета U-2 в семи спектральных диапазонах; Cobra Brass – многоспектральный датчик изображения для ИК-системы космического базирования.
Сочетание нескольких спектральных каналов в оптико-электронных приборах при наличии вычислительных средств с большой скоростью обработки многомерной информации, получаемой от этих многоканальных систем, позволяет в реальном масштабе времени более надежно решать задачи обнаружения, распознавания, классификации и идентификации самых различных объектов, т. е. решать эти задачи в интересах армии, авиации, флота.
Актуальность создания многоканальных систем остро стояла перед разработчиками уже начиная с середины 80-х годов прошлого века. Проектированием оптико-электронных приборов, работающих в различных областях спектра (видимом и ближнем ИК-, среднем и дальнем ИК-диапазонах), начали заниматься уже в то время, хотя в распоряжении разработчиков находилась весьма ограниченная номенклатура фотоприемников. Именно тогда конструкторское бюро Ростовского оптико-механического завода совместно со специалистами ГОИ им. С.И.Вавилова рассчитали трехканальную оптическую систему для трех участков спектрального диапазона: 0,6–1,1 мкм; 3–5 мкм; 8–14 мкм. В качестве приемников в системе использовались: ПЗС-матрица типа ФПЗС-1М для видимого и ближнего ИК-диапазонов спектра 0,6–1,1 мкм; видикон для среднего ИК-диапазона спектра 3–5 мкм; пировидикон ЛИ-476 для дальнего ИК-диапазона спектра 8–14 мкм.
Хотя универсальность системы и позволяла создавать оптико-электронные приборы, работающие в трех диапазонах спектра, большой вес оптических деталей объектива – 12,66 кг, включающего защитное стекло из материала ZnSe (селенид цинка), и значительные габаритные размеры резко ограничивали ее реальное применение на подвижных носителях, не говоря уже о портативных приборах. Но проект определил направления дальнейшего движения к созданию многоканальных систем – минимизация габаритов и расширение функциональных возможностей. Этому также способствовало активное развитие новых программных технологий в механообработке, создание новых типов фотоприемников и внедрение новых сортов оптических стекол и оптических покрытий.
Работам по созданию многоканальных систем предшествовали многочисленные исследования. Так, в ходе изучения способности обнаружения и распознавания на пестром фоне целей типа "танк" одновременное использование двух спектральных диапазонов 3–5 мкм и 8–14 мкм увеличивало вероятность обнаружения и распознавания на 5–7% [1]. Аналогичные оценки проводили для двух телевизионных каналов – черно-белого и цветного изображения. Их целью стало выявление дополнительных преимуществ в наблюдении наряду с более естественным восприятием изображения местности у канала цветного изображения по сравнению с черно-белым. Для оценки результатов работы использовали стандартные методики определения информационной пропускной способности прибора для черно-белого изображения [2]:
,
где 1 / θ – частота передачи изображений; Н – энтропия прибора или его информационная емкость, равная количеству информации, выдаваемой прибором. При этом
,
где N – число элементов, из которых состоит изображение; m – число градаций яркости в изображении, различаемых прибором. Результаты показали, что отношение информационной емкости телевизионного канала с цветным изображением к информационной емкости телевизионного канала с черно-белым изображением составляет СЦВ / С = 2,55. То есть использование цветного телевизионного канала повышало информативность в 2,55 раза.
В ряду последующих работ ОАО "Ростовский оптико-механичекий завод" над мультиспектральными системами стоит двухспектральная широкополосная видеокамера, которая стала частью беспилотного комплекса воздушной артиллерийской разведки "Типчак" (рис.1) в начале 90-х годов прошлого века. Камера была установлена в носовой части беспилотного летательного аппарата БЛА-05, входившего в состав комплекса (рис.2) и позволяла производить съемки в телевизионном и ИК-режимах (рис.3).
Камера предназначалась для получения изображения земной поверхности в видимом (ближнем ИК) и инфракрасном (дальнем ИК) диапазонах спектра. Затем изображение преобразовывалось в цифровой видеосигнал и передавалось на бортовую аппаратуру радиоуправления для последующей обработки и отображения на мониторе компьютера. В качестве фотоприемных устройств были использованы фотоприемное устройство видимого диапазона на базе ФПЗС К1200ЦЛ 6 (кристалл А1155А) с числом чувствительных элементов 2048 и диапазоном спектральной чувствительности 0,2–1,1 мкм и четырехэлементное фотоприемное устройство, разработанное предприятием "Орион" (Москва) по теме "ФПУ-СО-Гриф-М", чувствительное в диапазоне 8–12 мкм.
В продольном направлении (в направлении полета носителя) развертка осуществлялась за счет движения носителя, а в поперечном – за счет электронного коммутирования линейки фоточувствительных элементов для телевизионного (видимого) ТВ-канала и для ИК-канала – за счет оптико-механического сканирования в плоскости, перпендикулярной поверхности земли (вектору скорости носителя). В телевизионном канале камеры был установлен семилинзовый широкоугольный объектив-анастигмат, в тепловизионном – двухлинзовый германиево-кремниевый ИК-объектив. Изображения местности, получаемые камерой, характеризуются ярко выраженными различиями в опознавании объектов и деталей на поверхности земли, обусловленными разными физическими принципами визуализации. Телевизионный канал регистрирует только отраженное излучение, а ИК-канал – только собственное тепловое излучение объектов и поверхности земли. В совокупности комплексированное изображение местности строится путем суммирования информации, передаваемой обоими каналами камеры, что в значительной мере повышает информативность картинки и позволяет более качественно решать совокупность задач, стоящих перед беспилотным комплексом разведки.
Принимая во внимание основную направленность производственной деятельности предприятия – серийное изготовление прицельно-наблюдательных комплексов для объектов бронетанковой военной техники, – разработка и внедрение в производство многоспектральных систем получили продолжение в программе модернизации прицельных комплексов. Одним из производимых ОАО "РОМЗ" изделий был разработанный еще в 50-е годы прошлого века дневно-ночной прицельно-наблюдательный комплекс командира – ПНК-4С, в состав которого входили два визуальных канала и ночной канал на электронно-оптическом преобразователе первого поколения, работающем в ближнем ИК-диапазоне.
Современные тенденции, учитывающие изменяющийся уровень артиллерийского вооружения на рынке военной техники, год от года выдвигали новые требования к параметрам приборного обеспечения, в том числе и к прицельно-наблюдательным комплексам для различных по назначению объектов применения. Возникла и постепенно оформилась необходимость создания на ОАО "РОМЗ" универсального прицела для объектов класса БТР и БМП и машин на их базе, совмещающего в себе все достоинства штатных, ранее применяемых приборов, и преимущества, определяемые перспективными разработками.
В результате на предприятии был разработан и впоследствии поставлен на вооружение универсальный прицел, получивший название ТКН-4ГА. Для своего времени это был достаточно современный прицел, работающий в двух спектральных диапазонах и имеющий два отдельных канала и оригинальную призменную головную часть, обеспечивающую работу по наземным и воздушным целям одновременно для всех каналов прибора.
Изделие ТКН-4ГА относится к образцам военно-технической продукции среднего класса сложности, и сегодня его вряд ли назовешь прибором будущего, хотя прицел по-прежнему востребован. Своему долгожительству в наши "смутные" времена прибор обязан не только удачному проектному решению [3], но и непрерывной творческой работе коллектива КБ Ростовского оптико-механического завода.
Ориентируясь на тот факт, что в настоящее время в зарубежных армиях повсеместно идет переход к многофункциональным (тепловизионным, широкоспектральным, стабилизированным) оптоэлектронным компьютерным комплексам, была проведена модификация изделия ТКН-4ГА. На его основе конструкторы разработали дневно-ночной телевизионно-тепловизионный универсальный прицел ТКН-4ГА-В3 с оптическим визуальным каналом, дальномером и каналом дистанционного управления временем подрыва снарядов. Изюминкой прибора стала не только его многоспектральность и многофункциональность, но и возможность работы всех без исключения каналов в диапазоне углов наклона линии визирования от –10 до +70°.
Новый подход к модернизации прибора основывался на новейших достижениях российских инженеров в области оптики и электроники. Практически каждый узел прибора содержит оригинальное решение, совокупность которых позволила в ходе предварительных проектных исследований разместить вход и выход всех многочисленных каналов в единой головной части без увеличения габаритных размеров головки, в отличие от "монстроподобных" головок целого ряда приборов известных производителей прицелов. Рис.4 наглядно демонстрирует, как появляются уродливые и огромные головные "сооружения", своей высотой сравнимые с высотой башни боевой машины.
Анализ сложившейся ситуации показывает, что проектирование многоспектральных оптико-электронных приборов (телевизионных, тепловизионных) в габаритных размерах существующих головок прицелов боевых машин возможно только при нестандартных решениях совмещения каналов разных спектральных диапазонов. Изделие ТКН-4ГА-В3 разрабатывалось с учетом всех этих недостатков, и прибор был решен в виде оригинальной компоновки, содержащей многократный тепло-телевизионный канал с общим входным окном, оптический однократный канал, совмещенный с приемным каналом лазерного дальномера, излучающий канал дальномера и канал дистанционного управления временем подрыва снарядов (рис.5).
Однократный оптический канал прибора в общем сохранил конструкцию, присутствующую в базовом варианте с основной целевой направленностью – для обзорного наблюдения и стрельбы по воздушным целям. Однако между объективом и первым компонентом оборачивающей системы появился новый элемент – дихроическая пластинка, пропускающая видимый диапазон и отражающая длину волны, на которой работает лазерный дальномер, – 1,06 мкм. Трехлинзовая оптическая система фокусирует излучение, отраженное дихроической пластинкой, на фотоприемнике дальномерного канала. Таким образом, входное окно однократного канала одновременно является входным окном приемного канала дальномера (рис.6).
Вместо многократного оптического канала и ночного канала на ЭОП в приборе применен телевизионно-тепловизионный канал. Он представляет собой два объектива с единым входным зрачком, общим первым компонентом и с элементом разделения спектральных диапазонов внутри канала. Общий входной элемент с размером общего входного зрачка 90 мм работает в широком спектральном диапазоне, охватывающем видимую и ИК-область спектра. После него установлена дихроическая пластина из германия, пропускающая излучение спектрального диапазона 8–14 мкм и отражающая спектр от 0,5 до 0,9 мкм, а также отдельные объективные блоки и фотоприемники для работы в определенном спектральном диапазоне.
Графики полихроматической ЧКХ для частоты Найквиста фотоприемника с пикселем 25 мкм, равной 20 штр/мм, приведены на рис.7. Графики полихроматической ЧКХ для частоты Найквиста фотоприемника с пикселом 6,5 мкм, равной 70 штр/мм, – на рис. 8. Графики демонстрируют неплохое качество изображения оптической системы как в центре, так и по полю зрения для каждого из двух типов фотоприемников: для микроболометрических матриц формата 384 Ч 288 элементов с пикселом 25 мкм и для телевизионной матрицы формата 752 Ч 582 элементов с пикселом 6,5 мкм.
Следует отметить, что линзовая система имеет еще одну полезную особенность. Оба объективных блока весьма некритичны к воздушным промежуткам между их первыми линзами и общим входным элементом канала, поэтому для удобства компоновки прицелов их можно уменьшать или увеличивать в значительных пределах без ухудшения качества изображения.
Таким образом, в приборе доступен любой режим работы, в том числе и комплексирование телевизионного и тепловизионного изображений. Представленные варианты оптических систем позволяют в существующих размерах головных частей прицелов боевых машин разместить несколько каналов, работающих через один входной зрачок Ш90 мм, сохраняя высокие значения светосилы оптики по каждому из каналов и сохраняя существующий оптический визуальный канал.
Головная часть телевизионно-тепловизионного канала решена в виде качающегося зеркала, но для сохранения больших углов качания визирной линии (от –10 до +70°) было применено оригинальное компоновочное решение – наклон главной оптической оси канала на угол "α" относительно вертикали, с которой совпадает оптическая ось однократного оптического канала. Для совмещения линий визирования однократного и телевизионно-тепловизионного каналов зеркало установлено с некоторым наклоном "β" относительно стандартного расположения зеркала под углом в 45°, когда канал ориентируется вертикально. Призма-кубик однократного канала и зеркало, развернутое на угол "β = α / 2" относительно угла 45°, жестко фиксируются на одной оси и в дальнейшем вращаются синхронно.
Размещение каналов двух лазерных излучателей – дальномерного излучателя и излучателя для канала дистанционного подрыва снаряда также осуществлено оригинальным образом. Излучатели располагаются по обе стороны от телевизионного канала, и их излучение выводится через общий входной зрачок телевизионно-тепловизионного канала отражением от той же дихроической пластинки, с которой работает и телевизионный канал. Для обеспечения параллельности каналов и компенсации влияния децентрировки осей каналов относительно оси входного оптического элемента лазерные излучатели дальномера и дистанционного канала устанавливаются под некоторым углом к оптической оси телевизионного канала.
Размещение фотоприемника канала дистанционного подрыва является самым простым действием в компоновке прибора, поскольку фотоприемник используется без фокусирующей оптики и должен фиксировать момент выхода снаряда из ствола по вспышке на дульном срезе. Размещается он под головным зеркалом рядом с входным зрачком телевизионно-тепловизионного канала.
В процессе работы над прибором было проработано несколько вариантов реализации телевизионно-тепловизионного канала. Одним из наиболее интересных является зеркально-линзовый вариант (рис.9), имеющий единый входной оптический канал, состоящий из положительного мениска и двух линз Манжена и пропускающий одновременно два спектральных диапазона: 8–14 мкм и 0,5–0,9 мкм за счет использования материала ZnS.
После входного оптического канала в ход лучей вводится соответствующий фотоприемник, перед которым устанавливается оптический корректор для конкретного спектрального диапазона. Расстояние от последней оптической поверхности входного канала до первой линзы каждого корректора принято одинаковым, что позволяет конструктивно разделить систему на три модуля – модуль входной оптической системы, тепловизионный и телевизионный модули с собственными двухлинзовыми корректорами. Такое конструктивное решение обеспечивает простоту сборки и удобство юстировки.
Для того, чтобы такая оптическая система была применима на практике, необходимо обеспечить высокие значения светосилы каждого из каналов, особенно тепловизионного, так как паспортное значение чувствительности микроболометрической матрицы нормируется для светосилы 1 : 1. Анализируя графики полихроматической ЧКХ для частоты Найквиста фотоприемника 20 штр/мм (пиксел 25 мкм), приведенные на рис. 10, можно увидеть, что расчетная кривая функции для центра поля зрения практически совпадает с дифракционным ограничением.
Для телевизионного канала необходимость высокого значения светосилы обусловлена тем, что канал должен строить изображение, привычное глазу наблюдателя, и с ним желательно работать во всем динамическом диапазоне освещенностей. Графики полихроматической ЧКХ для частоты Найквиста фотоприемника 50 штр/мм (пиксел 10 мкм) представлены на рис.11.
Присутствующая в зеркально-линзовой системе зона центрального экранирования может быть использована при компоновке изделия для размещения элементов других каналов прибора, например, канала захвата и сопровождения цели или излучателя лазерного дальномера. Смена фотоприемников может осуществляться разворотом вокруг оси (обозначена желтым цветом на рис.12, позиции 5 и 13) блоков фотоприемников с соответствующими оптическими корректорами.
В рассмотренных вариантах конструктивного решения мультиспектральных систем предложено размещение в одном приборе нескольких разнесенных каналов, решающих как задачи наблюдения в различных режимах, так и задачи измерения дальности. Наличие разнесенных каналов создает проектировщику практически неразрешимую проблему, обусловленную наличием пространственного параллакса. Уменьшение расстояния между оптическими осями каналов во всех случаях ограничивается размерами входных зрачков каналов, иногда достигающих значительных размеров. Результаты практических испытаний показывают, что режим комплексирования изображений при разнесенных зрачках обеспечивает качественное изображение только на дальности, на которой сведены оптические оси каналов. При изменении дистанции наблюдения появляется эффект двоения изображения [4].
То же самое относится и к каналам дальномера, которые всегда будут иметь погрешность, обусловленную разнесением зрачков излучающего и приемного каналов. Очевидным методом полного устранения влияния параллакса является использование единого входного зрачка для всех используемых каналов проектируемого прибора. Работы в этом направлении также проводились на ОАО "Ростовский оптико-механический завод" и завершились созданием оптической схемы тепло-телевизионного прибора с встроенным лазерным дальномером, использующей один входной зрачок для всех каналов (см. рис.12).
Однозрачковая мультиспектральная оптическая система содержит общий входной канал. В его состав входят менисковая линза (1), спектроделительная пластинка (2) с дихроичным покрытием, пропускающим спектральный диапазон 8–14 мкм и отражающим спектральный диапазон 0,6–0,95 мкм; оптический канал в проходящем через спектроделительную пластинку направлении, состоящий из линз (3, 4); оптический канал в отраженном от пластинки направлении. Он двухкомпонентный: между его первым компонентом (три линзы 6–8) и вторым компонентом (три линзы 10–12) установлен спектроделительный кубик (9), пропускающий спектральный диапазон телевизионного канала 0,6–0,9 мкм и отражающий спектральный диапазон дальномерного канала 0,9–0,95 мкм. Дальномерный канал содержит коллимирующую двухкомпонентную оптику (линзы 14 и 15), четвертьволновую фазовую пластинку (16), поляризационный сплиттер (17), разветвляющий дальномерный канал на излучающую и приемную части, каждая из которых содержит двухкомпонентный объектив сопряжения (18, 19 и 21, 22).
Суммарный вес оптических деталей составляет ~349 г. Параметры оптического и дальномерного каналов приведены в таблицах 1 и 2, соответственно.
Первый компонент 1, выполненный в виде мениска, в сочетании со вторым компонентом (2), выполненным в виде спектроделительной пластинки с дихроичным покрытием на первой поверхности, является единым входным окном для четырех каналов – тепловизионного, телевизионного, излучающего дальномерного и приемного дальномерного, работающих в различных спектральных диапазонах.
Оптический канал в проходящем через зеркало с дихроичным покрытием направлении, состоит из двух компонентов (3 и 4), выполненных в виде положительных менисков, чем обеспечивается необходимая коррекция аберраций в спектральном диапазоне 8,0–14,0 мкм. Для повышения качества оптического изображения оптическая ось канала, проходящего через спектроделительную пластинку 2, смещена относительно оптической оси общего входного канала на величину δ, которая учитывает смещение изображения в плоскопараллельной пластине.
Оптический канал в отраженном от зеркала с дихроичным покрытием направлении выполнен двухкомпонентным: первый компонент состоит из трехлинзовой силовой части (6, 9 и 8), которая создает необходимую оптическую силу канала; второй компонент – из трехлинзового компенсатора полевых аберраций (10–12), компенсирующего кривизну поверхности изображения в спектральном диапазоне 0,6–0,9 мкм. Применение материала ZnSe для линз телевизионного канала позволяет без дополнительных светофильтров отрезать коротковолновую часть спектра, к которой еще чувствителен фотоприемник и в которой имеется значительное рассеивание в атмосфере при наличии дымки и тумана, ухудшающее контраст изображения. Таким образом, линзы из материала ZnSe, выделяя более полезную область спектра, улучшают видимость в неблагоприятных условиях наблюдения.
Между двумя компонентами установлен спектроделительный кубик (9), пропускающий спектральный диапазон телевизионного канала 0,6–0,9 мкм и отражающий спектральный диапазон дальномерного канала 0,9–0,95 мкм, который содержит коллимирующую двухкомпонентную оптику: первый компонент (14) выполнен в виде положительной линзы, второй компонент (15) – в виде отрицательной линзы, создающей афокальную оптическую систему, после которой формируется параллельный пучок лучей. В параллельных пучках афокальной оптической системы дальномерного канала установлена четвертьволновая фазовая пластинка (16) и поляризационный сплиттер (17), разветвляющий дальномерный канал на излучающую и приемную части, каждая из которых работает с лучами, поляризованными сплиттером во взаимно перпендикулярных плоскостях.
В каждом из сформированных сплиттером каналах установлен двухкомпонентный объектив сопряжения (18, 19 и 21, 22). Причем первый компонент 18 (21) объектива сопряжения выполнен в виде положительной линзы, а второй компонент 19 (22) – в виде отрицательного мениска. В излучающем канале установлен лазерный диод (20), излучение которого линейно поляризовано, а плоскость линейной поляризации его излучения выставлена соответственно полному пропусканию поляризационного сплиттера. При этом ориентация главных осей четвертьволновой пластинки (16) выставляется под углом 45° к плоскости линейной поляризации лазерного диода. При такой ориентации после четвертьволновой пластинки линейно поляризованный свет преобразуется в свет с круговой поляризацией.
Свет с круговой поляризацией проходит через компоненты (15 и 14), отражается от гипотенузной грани спектроделительного кубика (9), далее проходит через компоненты (8, 7 и 6), затем отражается от первой поверхности спектроделительной пластинки (2) с дихроичным покрытием и выходит через первый компонент (1) в направлении объекта наблюдения. При отражении от объекта наблюдения направление вращения круговой поляризации меняется на противоположное, отраженный свет последовательно проходит через компоненты (1, 2, 6–9, 14 и 15) до четвертьволновой пластинки (16). Четвертьволновая пластинка преобразует отраженный свет с измененным направлением круговой поляризации в свет с линейной поляризацией, но направление которой повернуто на 90°. То есть направление линейной поляризации вернувшегося света после прохождения четвертьволновой пластинки будет ориентировано перпендикулярно относительно первоначальной линейной поляризации излучения лазерного диода. После этого трансформированное излучение отразится от грани поляризационного сплиттера в приемный канал (компоненты 21, 22, 23) и сфокусируется на чувствительной площадке фотоприемника (23) с минимальными потерями при прохождении оптической системы.
Опыт создания мультиспектральных систем подсказывает, что мультиспектральный оптико-электронный прибор в идеале должен иметь только один объектив и только один многоспектральный приемник на весь интересующий пользователя диапазон длин волн, каким бы широким он ни был. Такую оптическую систему и прибор, создаваемый на ее основе, логично отнести к приборам последнего поколения. Очевидно, что задачу построения изображения для всех длин волн одной и той же оптической системой пока можно решить только с помощью зеркальной оптики.
Основной недостаток объективов этого класса – сложность борьбы с аберрациями. В зеркальной системе качество изображения достигается за счет увеличения количества элементов. Но следует помнить, что каждый последующий элемент наряду с уменьшением аберраций может просто преградить дальнейший путь световому потоку. Ситуация несколько улучшается, если использовать асферические зеркала.
Еще больший эффект обеспечивает применение многопараметрической асферики, поскольку наличие дополнительных варьируемых параметров дает эффект, аналогичный увеличению числа элементов. К сожалению, при этом существенно усложняется и повышаются в цене технология изготовления самих зеркал и требования к сборке готовых изделий.
И все-таки, использование асферических поверхностей дает в руки оптика-расчетчика мощное средство для расчета и коррекции систем, ведь, например, располагая асферическую поверхность вблизи апертурной диафрагмы, можно уменьшить сферическую аберрацию и увеличить относительное отверстие объектива (рис.13). Удаляя эту поверхность от апертурной диафрагмы, мы получем возможность коррекции полевых аберраций и дисторсии или увеличения поля зрения системы.
Таким образом, обеспечить работу системы во всем диапазоне длин волн может только объектив, построенный на зеркалах, и это направление развития оптики очевидно станет доминирующим для многих приложений на ближайшие десятилетия. Естественными ограничителями полосы пропускания такого объектива будут приборные защитные стекла и покрытия самих зеркал, которые по мере совершенствования материалов и уменьшения количества требуемых приёмников будут приближать создаваемые оптико-электронные приборы к идеальным, т. е. к оптико-электронным приборам последнего поколения.
В результате проведенного анализа зеркальных систем была разработана оригинальная схема четырехзеркального объектива, в котором две поверхности представляли собой асферику второго порядка. Вариант зеркальной системы с использованием асферики второго порядка, обеспечивает работу в любом спектральном диапазоне в зависимости от параметров зеркальных покрытий.
Комбинация такого объектива и широкоспектрального приемника излучения – это наиболее простой и технологичный с точки зрения построения и компоновки способ реализации мультиспектрального прибора.
Посредством установки блока фильтров, смена которых будет обеспечивать работу в нужном диапазоне спектра, можно получать изображения объектов с определенным информативным набором и работать в конкретных условиях наблюдения с оптимальным результатом. Смену фильтров можно заменить электронной селекцией спектрального диапазона – все зависит от интеллектуального наполнения прибора.В настоящее время уже известен целый ряд широкоспектральных приемников излучения. Один из них – болометрический приемник на базе сенсора Pico640E формата 640 Ч 480 элементов с размером пиксела 17 Ч 17 мкм производства фирмы ULIS.
Из российских предприятий широкоспектральными фотоприемными устройствами активно занимается Государственный Научный Центр Российской Федерации ФГУП "НПО "Орион". На предприятии имеется возможность изготовления многоэлементных фотоприемных устройств на основе халькогенида PbSe на спектральный диапазон от 0,5 до 5 мкм. График чувствительности таких фотоприемных устройств приведен на рис.14.
Рассмотренные варианты построения многофункциональных мультиспектральных систем позволяют с уверенностью говорить о широких возможностях, открывающихся для проектировщиков, создающих оптико-электронные приборы, предназначенные для работы на определенных частотах во всех диапазонах электромагнитного спектра и объединяющие в себе максимальное количество достоинств известных узкоспектральных приборов наблюдения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Chan L.A., Colberg A., Der S.et al. MIX and match for better vision. – SPIE’s OE Magazine, April 2002, p.18–20.
2. Луизов А.В. Глаз и свет. – Ленинград: Энергоатомиздат, 1983.
3. Медведев А.В., Гринкевич А.В., Князева С.Н. Практические достижения в технике ночного видения. – Ярославль: ОАО "Ростовский оптико-механический завод", ОАО "Ярославский полиграфкомбинат", 2009.
4. Медведев А.В., Гринкевич А.В., Князева С.Н. Практика конструктора оптико-электронной техники и техники ночного видения. – Ярославль: ОАО "Ростовский оптико-механический завод", ОАО "Ярославский полиграфкомбинат", 2013.
звестно, что за счет расширения рабочего спектрального диапазона оптико-электронных приборов проектировщики значительно повышают их функциональные возможности. Недаром сегодня одно из самых "модных" слов в оптико-электронной технике – "мультиспектральность". Весьма заманчиво иметь приборы, работающие на определенных частотах во всех диапазонах электромагнитного спектра. Новые мультиспектральные системы объединят в себе все достоинства различных приборов наблюдения.
Например, аналоговые светоусиливающие приборы ночного видения (ПНВ) потребляют очень мало энергии и идеально подходят для длительных действий на открытой местности. Но в полной темноте или при ярком свете такие ПНВ слепнут и уступают место длинноволновым ИК-сенсорам. Но и они, однако, не освобождены от собственных недостатков – не могут видеть через оконные стекла. Зато в задачах обнаружения замаскированного противника, например среди листвы деревьев, коротковолновые ИК-сенсоры (SWIR) незаменимы. Следует отметить, что использование УФ-области спектра также представляется весьма полезным, хотя область применения приборов с такими рабочими каналами значительно уже. Подобные системы позволяют идентифицировать тип ракет противника по спектральному составу излучения компонентов ракетного топлива.
Таким образом, мультиспектральные системы, объединившие достоинства всех спектральных диапазонов, позволят видеть в полной темноте, при ярком освещении, выделять теплоконтрастные объекты, наблюдать картину сквозь оконные стекла днем и ночью, мгновенно переключаясь на необходимую часть спектра. При этом синтез картинки, поступающей с разных сенсоров, открывает уникальные возможности в наблюдении. Новые мультиспектральные приборы нивелируют "несовершенство" человеческого зрения и позволят вести наблюдение, перемещаясь на местности, первым обнаруживать противника, вести прицеливание и стрельбу в условиях, когда затруднена даже ориентация в пространстве. Например, среди зеленого пейзажа ИК-сенсор четко выделит замаскированного снайпера, мины и другие объекты, благодаря физическим различиям по областям спектра.
Безусловно, самый короткий путь к созданию мультиспектральных систем – обладание приемниками излучения, чувствительными в широком спектральном диапазоне, а также принимающей оптикой, прозрачной в аналогичной области спектра. Но это вещи нетривиальные и дорогостоящие. До недавнего времени из-за отсутствия соответствующих технологий, оптических материалов и покрытий о таких оптических системах не говорили всерьез.
Однако времена изменились. Достижения науки, технологические прорывы в производстве материалов и покрытий, создание новых типов фотоприемников позволили всерьез заниматься системами для широкого диапазона спектра. Самым распространенным способом создания мультиспектральных систем до сих пор остается размещение в составе прибора нескольких рабочих каналов, каждый из которых работает в собственном диапазоне спектра и выполняет задачи прицельно-наблюдательного характера, дальнометрирования, а также утилитарные узконаправленные задачи спецназначения, позволяющие в известной степени говорить об "интеллектуальности" изделия. К таким задачам можно отнести поиск, распознавание и сопровождение целей.
Разработке многоспектральных оптико-электронных приборов в настоящее время уделяется большое внимание. Достаточную известность получила система, разработанная компанией TRW с 384 спектральными рабочими диапазонами. Система испытывалась на борту беспилотных разведывательных летательных аппаратов, предназначенных для обнаружения танков, пусковых ракетных установок и других военных объектов, замаскированных на сложных фонах. Известны также системы, стоящие на вооружении армии США: SYERS (Senior Year Electrooptical Reconnaissance System), работающая на борту самолета U-2 в семи спектральных диапазонах; Cobra Brass – многоспектральный датчик изображения для ИК-системы космического базирования.
Сочетание нескольких спектральных каналов в оптико-электронных приборах при наличии вычислительных средств с большой скоростью обработки многомерной информации, получаемой от этих многоканальных систем, позволяет в реальном масштабе времени более надежно решать задачи обнаружения, распознавания, классификации и идентификации самых различных объектов, т. е. решать эти задачи в интересах армии, авиации, флота.
Актуальность создания многоканальных систем остро стояла перед разработчиками уже начиная с середины 80-х годов прошлого века. Проектированием оптико-электронных приборов, работающих в различных областях спектра (видимом и ближнем ИК-, среднем и дальнем ИК-диапазонах), начали заниматься уже в то время, хотя в распоряжении разработчиков находилась весьма ограниченная номенклатура фотоприемников. Именно тогда конструкторское бюро Ростовского оптико-механического завода совместно со специалистами ГОИ им. С.И.Вавилова рассчитали трехканальную оптическую систему для трех участков спектрального диапазона: 0,6–1,1 мкм; 3–5 мкм; 8–14 мкм. В качестве приемников в системе использовались: ПЗС-матрица типа ФПЗС-1М для видимого и ближнего ИК-диапазонов спектра 0,6–1,1 мкм; видикон для среднего ИК-диапазона спектра 3–5 мкм; пировидикон ЛИ-476 для дальнего ИК-диапазона спектра 8–14 мкм.
Хотя универсальность системы и позволяла создавать оптико-электронные приборы, работающие в трех диапазонах спектра, большой вес оптических деталей объектива – 12,66 кг, включающего защитное стекло из материала ZnSe (селенид цинка), и значительные габаритные размеры резко ограничивали ее реальное применение на подвижных носителях, не говоря уже о портативных приборах. Но проект определил направления дальнейшего движения к созданию многоканальных систем – минимизация габаритов и расширение функциональных возможностей. Этому также способствовало активное развитие новых программных технологий в механообработке, создание новых типов фотоприемников и внедрение новых сортов оптических стекол и оптических покрытий.
Работам по созданию многоканальных систем предшествовали многочисленные исследования. Так, в ходе изучения способности обнаружения и распознавания на пестром фоне целей типа "танк" одновременное использование двух спектральных диапазонов 3–5 мкм и 8–14 мкм увеличивало вероятность обнаружения и распознавания на 5–7% [1]. Аналогичные оценки проводили для двух телевизионных каналов – черно-белого и цветного изображения. Их целью стало выявление дополнительных преимуществ в наблюдении наряду с более естественным восприятием изображения местности у канала цветного изображения по сравнению с черно-белым. Для оценки результатов работы использовали стандартные методики определения информационной пропускной способности прибора для черно-белого изображения [2]:
,
где 1 / θ – частота передачи изображений; Н – энтропия прибора или его информационная емкость, равная количеству информации, выдаваемой прибором. При этом
,
где N – число элементов, из которых состоит изображение; m – число градаций яркости в изображении, различаемых прибором. Результаты показали, что отношение информационной емкости телевизионного канала с цветным изображением к информационной емкости телевизионного канала с черно-белым изображением составляет СЦВ / С = 2,55. То есть использование цветного телевизионного канала повышало информативность в 2,55 раза.
В ряду последующих работ ОАО "Ростовский оптико-механичекий завод" над мультиспектральными системами стоит двухспектральная широкополосная видеокамера, которая стала частью беспилотного комплекса воздушной артиллерийской разведки "Типчак" (рис.1) в начале 90-х годов прошлого века. Камера была установлена в носовой части беспилотного летательного аппарата БЛА-05, входившего в состав комплекса (рис.2) и позволяла производить съемки в телевизионном и ИК-режимах (рис.3).
Камера предназначалась для получения изображения земной поверхности в видимом (ближнем ИК) и инфракрасном (дальнем ИК) диапазонах спектра. Затем изображение преобразовывалось в цифровой видеосигнал и передавалось на бортовую аппаратуру радиоуправления для последующей обработки и отображения на мониторе компьютера. В качестве фотоприемных устройств были использованы фотоприемное устройство видимого диапазона на базе ФПЗС К1200ЦЛ 6 (кристалл А1155А) с числом чувствительных элементов 2048 и диапазоном спектральной чувствительности 0,2–1,1 мкм и четырехэлементное фотоприемное устройство, разработанное предприятием "Орион" (Москва) по теме "ФПУ-СО-Гриф-М", чувствительное в диапазоне 8–12 мкм.
В продольном направлении (в направлении полета носителя) развертка осуществлялась за счет движения носителя, а в поперечном – за счет электронного коммутирования линейки фоточувствительных элементов для телевизионного (видимого) ТВ-канала и для ИК-канала – за счет оптико-механического сканирования в плоскости, перпендикулярной поверхности земли (вектору скорости носителя). В телевизионном канале камеры был установлен семилинзовый широкоугольный объектив-анастигмат, в тепловизионном – двухлинзовый германиево-кремниевый ИК-объектив. Изображения местности, получаемые камерой, характеризуются ярко выраженными различиями в опознавании объектов и деталей на поверхности земли, обусловленными разными физическими принципами визуализации. Телевизионный канал регистрирует только отраженное излучение, а ИК-канал – только собственное тепловое излучение объектов и поверхности земли. В совокупности комплексированное изображение местности строится путем суммирования информации, передаваемой обоими каналами камеры, что в значительной мере повышает информативность картинки и позволяет более качественно решать совокупность задач, стоящих перед беспилотным комплексом разведки.
Принимая во внимание основную направленность производственной деятельности предприятия – серийное изготовление прицельно-наблюдательных комплексов для объектов бронетанковой военной техники, – разработка и внедрение в производство многоспектральных систем получили продолжение в программе модернизации прицельных комплексов. Одним из производимых ОАО "РОМЗ" изделий был разработанный еще в 50-е годы прошлого века дневно-ночной прицельно-наблюдательный комплекс командира – ПНК-4С, в состав которого входили два визуальных канала и ночной канал на электронно-оптическом преобразователе первого поколения, работающем в ближнем ИК-диапазоне.
Современные тенденции, учитывающие изменяющийся уровень артиллерийского вооружения на рынке военной техники, год от года выдвигали новые требования к параметрам приборного обеспечения, в том числе и к прицельно-наблюдательным комплексам для различных по назначению объектов применения. Возникла и постепенно оформилась необходимость создания на ОАО "РОМЗ" универсального прицела для объектов класса БТР и БМП и машин на их базе, совмещающего в себе все достоинства штатных, ранее применяемых приборов, и преимущества, определяемые перспективными разработками.
В результате на предприятии был разработан и впоследствии поставлен на вооружение универсальный прицел, получивший название ТКН-4ГА. Для своего времени это был достаточно современный прицел, работающий в двух спектральных диапазонах и имеющий два отдельных канала и оригинальную призменную головную часть, обеспечивающую работу по наземным и воздушным целям одновременно для всех каналов прибора.
Изделие ТКН-4ГА относится к образцам военно-технической продукции среднего класса сложности, и сегодня его вряд ли назовешь прибором будущего, хотя прицел по-прежнему востребован. Своему долгожительству в наши "смутные" времена прибор обязан не только удачному проектному решению [3], но и непрерывной творческой работе коллектива КБ Ростовского оптико-механического завода.
Ориентируясь на тот факт, что в настоящее время в зарубежных армиях повсеместно идет переход к многофункциональным (тепловизионным, широкоспектральным, стабилизированным) оптоэлектронным компьютерным комплексам, была проведена модификация изделия ТКН-4ГА. На его основе конструкторы разработали дневно-ночной телевизионно-тепловизионный универсальный прицел ТКН-4ГА-В3 с оптическим визуальным каналом, дальномером и каналом дистанционного управления временем подрыва снарядов. Изюминкой прибора стала не только его многоспектральность и многофункциональность, но и возможность работы всех без исключения каналов в диапазоне углов наклона линии визирования от –10 до +70°.
Новый подход к модернизации прибора основывался на новейших достижениях российских инженеров в области оптики и электроники. Практически каждый узел прибора содержит оригинальное решение, совокупность которых позволила в ходе предварительных проектных исследований разместить вход и выход всех многочисленных каналов в единой головной части без увеличения габаритных размеров головки, в отличие от "монстроподобных" головок целого ряда приборов известных производителей прицелов. Рис.4 наглядно демонстрирует, как появляются уродливые и огромные головные "сооружения", своей высотой сравнимые с высотой башни боевой машины.
Анализ сложившейся ситуации показывает, что проектирование многоспектральных оптико-электронных приборов (телевизионных, тепловизионных) в габаритных размерах существующих головок прицелов боевых машин возможно только при нестандартных решениях совмещения каналов разных спектральных диапазонов. Изделие ТКН-4ГА-В3 разрабатывалось с учетом всех этих недостатков, и прибор был решен в виде оригинальной компоновки, содержащей многократный тепло-телевизионный канал с общим входным окном, оптический однократный канал, совмещенный с приемным каналом лазерного дальномера, излучающий канал дальномера и канал дистанционного управления временем подрыва снарядов (рис.5).
Однократный оптический канал прибора в общем сохранил конструкцию, присутствующую в базовом варианте с основной целевой направленностью – для обзорного наблюдения и стрельбы по воздушным целям. Однако между объективом и первым компонентом оборачивающей системы появился новый элемент – дихроическая пластинка, пропускающая видимый диапазон и отражающая длину волны, на которой работает лазерный дальномер, – 1,06 мкм. Трехлинзовая оптическая система фокусирует излучение, отраженное дихроической пластинкой, на фотоприемнике дальномерного канала. Таким образом, входное окно однократного канала одновременно является входным окном приемного канала дальномера (рис.6).
Вместо многократного оптического канала и ночного канала на ЭОП в приборе применен телевизионно-тепловизионный канал. Он представляет собой два объектива с единым входным зрачком, общим первым компонентом и с элементом разделения спектральных диапазонов внутри канала. Общий входной элемент с размером общего входного зрачка 90 мм работает в широком спектральном диапазоне, охватывающем видимую и ИК-область спектра. После него установлена дихроическая пластина из германия, пропускающая излучение спектрального диапазона 8–14 мкм и отражающая спектр от 0,5 до 0,9 мкм, а также отдельные объективные блоки и фотоприемники для работы в определенном спектральном диапазоне.
Графики полихроматической ЧКХ для частоты Найквиста фотоприемника с пикселем 25 мкм, равной 20 штр/мм, приведены на рис.7. Графики полихроматической ЧКХ для частоты Найквиста фотоприемника с пикселом 6,5 мкм, равной 70 штр/мм, – на рис. 8. Графики демонстрируют неплохое качество изображения оптической системы как в центре, так и по полю зрения для каждого из двух типов фотоприемников: для микроболометрических матриц формата 384 Ч 288 элементов с пикселом 25 мкм и для телевизионной матрицы формата 752 Ч 582 элементов с пикселом 6,5 мкм.
Следует отметить, что линзовая система имеет еще одну полезную особенность. Оба объективных блока весьма некритичны к воздушным промежуткам между их первыми линзами и общим входным элементом канала, поэтому для удобства компоновки прицелов их можно уменьшать или увеличивать в значительных пределах без ухудшения качества изображения.
Таким образом, в приборе доступен любой режим работы, в том числе и комплексирование телевизионного и тепловизионного изображений. Представленные варианты оптических систем позволяют в существующих размерах головных частей прицелов боевых машин разместить несколько каналов, работающих через один входной зрачок Ш90 мм, сохраняя высокие значения светосилы оптики по каждому из каналов и сохраняя существующий оптический визуальный канал.
Головная часть телевизионно-тепловизионного канала решена в виде качающегося зеркала, но для сохранения больших углов качания визирной линии (от –10 до +70°) было применено оригинальное компоновочное решение – наклон главной оптической оси канала на угол "α" относительно вертикали, с которой совпадает оптическая ось однократного оптического канала. Для совмещения линий визирования однократного и телевизионно-тепловизионного каналов зеркало установлено с некоторым наклоном "β" относительно стандартного расположения зеркала под углом в 45°, когда канал ориентируется вертикально. Призма-кубик однократного канала и зеркало, развернутое на угол "β = α / 2" относительно угла 45°, жестко фиксируются на одной оси и в дальнейшем вращаются синхронно.
Размещение каналов двух лазерных излучателей – дальномерного излучателя и излучателя для канала дистанционного подрыва снаряда также осуществлено оригинальным образом. Излучатели располагаются по обе стороны от телевизионного канала, и их излучение выводится через общий входной зрачок телевизионно-тепловизионного канала отражением от той же дихроической пластинки, с которой работает и телевизионный канал. Для обеспечения параллельности каналов и компенсации влияния децентрировки осей каналов относительно оси входного оптического элемента лазерные излучатели дальномера и дистанционного канала устанавливаются под некоторым углом к оптической оси телевизионного канала.
Размещение фотоприемника канала дистанционного подрыва является самым простым действием в компоновке прибора, поскольку фотоприемник используется без фокусирующей оптики и должен фиксировать момент выхода снаряда из ствола по вспышке на дульном срезе. Размещается он под головным зеркалом рядом с входным зрачком телевизионно-тепловизионного канала.
В процессе работы над прибором было проработано несколько вариантов реализации телевизионно-тепловизионного канала. Одним из наиболее интересных является зеркально-линзовый вариант (рис.9), имеющий единый входной оптический канал, состоящий из положительного мениска и двух линз Манжена и пропускающий одновременно два спектральных диапазона: 8–14 мкм и 0,5–0,9 мкм за счет использования материала ZnS.
После входного оптического канала в ход лучей вводится соответствующий фотоприемник, перед которым устанавливается оптический корректор для конкретного спектрального диапазона. Расстояние от последней оптической поверхности входного канала до первой линзы каждого корректора принято одинаковым, что позволяет конструктивно разделить систему на три модуля – модуль входной оптической системы, тепловизионный и телевизионный модули с собственными двухлинзовыми корректорами. Такое конструктивное решение обеспечивает простоту сборки и удобство юстировки.
Для того, чтобы такая оптическая система была применима на практике, необходимо обеспечить высокие значения светосилы каждого из каналов, особенно тепловизионного, так как паспортное значение чувствительности микроболометрической матрицы нормируется для светосилы 1 : 1. Анализируя графики полихроматической ЧКХ для частоты Найквиста фотоприемника 20 штр/мм (пиксел 25 мкм), приведенные на рис. 10, можно увидеть, что расчетная кривая функции для центра поля зрения практически совпадает с дифракционным ограничением.
Для телевизионного канала необходимость высокого значения светосилы обусловлена тем, что канал должен строить изображение, привычное глазу наблюдателя, и с ним желательно работать во всем динамическом диапазоне освещенностей. Графики полихроматической ЧКХ для частоты Найквиста фотоприемника 50 штр/мм (пиксел 10 мкм) представлены на рис.11.
Присутствующая в зеркально-линзовой системе зона центрального экранирования может быть использована при компоновке изделия для размещения элементов других каналов прибора, например, канала захвата и сопровождения цели или излучателя лазерного дальномера. Смена фотоприемников может осуществляться разворотом вокруг оси (обозначена желтым цветом на рис.12, позиции 5 и 13) блоков фотоприемников с соответствующими оптическими корректорами.
В рассмотренных вариантах конструктивного решения мультиспектральных систем предложено размещение в одном приборе нескольких разнесенных каналов, решающих как задачи наблюдения в различных режимах, так и задачи измерения дальности. Наличие разнесенных каналов создает проектировщику практически неразрешимую проблему, обусловленную наличием пространственного параллакса. Уменьшение расстояния между оптическими осями каналов во всех случаях ограничивается размерами входных зрачков каналов, иногда достигающих значительных размеров. Результаты практических испытаний показывают, что режим комплексирования изображений при разнесенных зрачках обеспечивает качественное изображение только на дальности, на которой сведены оптические оси каналов. При изменении дистанции наблюдения появляется эффект двоения изображения [4].
То же самое относится и к каналам дальномера, которые всегда будут иметь погрешность, обусловленную разнесением зрачков излучающего и приемного каналов. Очевидным методом полного устранения влияния параллакса является использование единого входного зрачка для всех используемых каналов проектируемого прибора. Работы в этом направлении также проводились на ОАО "Ростовский оптико-механический завод" и завершились созданием оптической схемы тепло-телевизионного прибора с встроенным лазерным дальномером, использующей один входной зрачок для всех каналов (см. рис.12).
Однозрачковая мультиспектральная оптическая система содержит общий входной канал. В его состав входят менисковая линза (1), спектроделительная пластинка (2) с дихроичным покрытием, пропускающим спектральный диапазон 8–14 мкм и отражающим спектральный диапазон 0,6–0,95 мкм; оптический канал в проходящем через спектроделительную пластинку направлении, состоящий из линз (3, 4); оптический канал в отраженном от пластинки направлении. Он двухкомпонентный: между его первым компонентом (три линзы 6–8) и вторым компонентом (три линзы 10–12) установлен спектроделительный кубик (9), пропускающий спектральный диапазон телевизионного канала 0,6–0,9 мкм и отражающий спектральный диапазон дальномерного канала 0,9–0,95 мкм. Дальномерный канал содержит коллимирующую двухкомпонентную оптику (линзы 14 и 15), четвертьволновую фазовую пластинку (16), поляризационный сплиттер (17), разветвляющий дальномерный канал на излучающую и приемную части, каждая из которых содержит двухкомпонентный объектив сопряжения (18, 19 и 21, 22).
Суммарный вес оптических деталей составляет ~349 г. Параметры оптического и дальномерного каналов приведены в таблицах 1 и 2, соответственно.
Первый компонент 1, выполненный в виде мениска, в сочетании со вторым компонентом (2), выполненным в виде спектроделительной пластинки с дихроичным покрытием на первой поверхности, является единым входным окном для четырех каналов – тепловизионного, телевизионного, излучающего дальномерного и приемного дальномерного, работающих в различных спектральных диапазонах.
Оптический канал в проходящем через зеркало с дихроичным покрытием направлении, состоит из двух компонентов (3 и 4), выполненных в виде положительных менисков, чем обеспечивается необходимая коррекция аберраций в спектральном диапазоне 8,0–14,0 мкм. Для повышения качества оптического изображения оптическая ось канала, проходящего через спектроделительную пластинку 2, смещена относительно оптической оси общего входного канала на величину δ, которая учитывает смещение изображения в плоскопараллельной пластине.
Оптический канал в отраженном от зеркала с дихроичным покрытием направлении выполнен двухкомпонентным: первый компонент состоит из трехлинзовой силовой части (6, 9 и 8), которая создает необходимую оптическую силу канала; второй компонент – из трехлинзового компенсатора полевых аберраций (10–12), компенсирующего кривизну поверхности изображения в спектральном диапазоне 0,6–0,9 мкм. Применение материала ZnSe для линз телевизионного канала позволяет без дополнительных светофильтров отрезать коротковолновую часть спектра, к которой еще чувствителен фотоприемник и в которой имеется значительное рассеивание в атмосфере при наличии дымки и тумана, ухудшающее контраст изображения. Таким образом, линзы из материала ZnSe, выделяя более полезную область спектра, улучшают видимость в неблагоприятных условиях наблюдения.
Между двумя компонентами установлен спектроделительный кубик (9), пропускающий спектральный диапазон телевизионного канала 0,6–0,9 мкм и отражающий спектральный диапазон дальномерного канала 0,9–0,95 мкм, который содержит коллимирующую двухкомпонентную оптику: первый компонент (14) выполнен в виде положительной линзы, второй компонент (15) – в виде отрицательной линзы, создающей афокальную оптическую систему, после которой формируется параллельный пучок лучей. В параллельных пучках афокальной оптической системы дальномерного канала установлена четвертьволновая фазовая пластинка (16) и поляризационный сплиттер (17), разветвляющий дальномерный канал на излучающую и приемную части, каждая из которых работает с лучами, поляризованными сплиттером во взаимно перпендикулярных плоскостях.
В каждом из сформированных сплиттером каналах установлен двухкомпонентный объектив сопряжения (18, 19 и 21, 22). Причем первый компонент 18 (21) объектива сопряжения выполнен в виде положительной линзы, а второй компонент 19 (22) – в виде отрицательного мениска. В излучающем канале установлен лазерный диод (20), излучение которого линейно поляризовано, а плоскость линейной поляризации его излучения выставлена соответственно полному пропусканию поляризационного сплиттера. При этом ориентация главных осей четвертьволновой пластинки (16) выставляется под углом 45° к плоскости линейной поляризации лазерного диода. При такой ориентации после четвертьволновой пластинки линейно поляризованный свет преобразуется в свет с круговой поляризацией.
Свет с круговой поляризацией проходит через компоненты (15 и 14), отражается от гипотенузной грани спектроделительного кубика (9), далее проходит через компоненты (8, 7 и 6), затем отражается от первой поверхности спектроделительной пластинки (2) с дихроичным покрытием и выходит через первый компонент (1) в направлении объекта наблюдения. При отражении от объекта наблюдения направление вращения круговой поляризации меняется на противоположное, отраженный свет последовательно проходит через компоненты (1, 2, 6–9, 14 и 15) до четвертьволновой пластинки (16). Четвертьволновая пластинка преобразует отраженный свет с измененным направлением круговой поляризации в свет с линейной поляризацией, но направление которой повернуто на 90°. То есть направление линейной поляризации вернувшегося света после прохождения четвертьволновой пластинки будет ориентировано перпендикулярно относительно первоначальной линейной поляризации излучения лазерного диода. После этого трансформированное излучение отразится от грани поляризационного сплиттера в приемный канал (компоненты 21, 22, 23) и сфокусируется на чувствительной площадке фотоприемника (23) с минимальными потерями при прохождении оптической системы.
Опыт создания мультиспектральных систем подсказывает, что мультиспектральный оптико-электронный прибор в идеале должен иметь только один объектив и только один многоспектральный приемник на весь интересующий пользователя диапазон длин волн, каким бы широким он ни был. Такую оптическую систему и прибор, создаваемый на ее основе, логично отнести к приборам последнего поколения. Очевидно, что задачу построения изображения для всех длин волн одной и той же оптической системой пока можно решить только с помощью зеркальной оптики.
Основной недостаток объективов этого класса – сложность борьбы с аберрациями. В зеркальной системе качество изображения достигается за счет увеличения количества элементов. Но следует помнить, что каждый последующий элемент наряду с уменьшением аберраций может просто преградить дальнейший путь световому потоку. Ситуация несколько улучшается, если использовать асферические зеркала.
Еще больший эффект обеспечивает применение многопараметрической асферики, поскольку наличие дополнительных варьируемых параметров дает эффект, аналогичный увеличению числа элементов. К сожалению, при этом существенно усложняется и повышаются в цене технология изготовления самих зеркал и требования к сборке готовых изделий.
И все-таки, использование асферических поверхностей дает в руки оптика-расчетчика мощное средство для расчета и коррекции систем, ведь, например, располагая асферическую поверхность вблизи апертурной диафрагмы, можно уменьшить сферическую аберрацию и увеличить относительное отверстие объектива (рис.13). Удаляя эту поверхность от апертурной диафрагмы, мы получем возможность коррекции полевых аберраций и дисторсии или увеличения поля зрения системы.
Таким образом, обеспечить работу системы во всем диапазоне длин волн может только объектив, построенный на зеркалах, и это направление развития оптики очевидно станет доминирующим для многих приложений на ближайшие десятилетия. Естественными ограничителями полосы пропускания такого объектива будут приборные защитные стекла и покрытия самих зеркал, которые по мере совершенствования материалов и уменьшения количества требуемых приёмников будут приближать создаваемые оптико-электронные приборы к идеальным, т. е. к оптико-электронным приборам последнего поколения.
В результате проведенного анализа зеркальных систем была разработана оригинальная схема четырехзеркального объектива, в котором две поверхности представляли собой асферику второго порядка. Вариант зеркальной системы с использованием асферики второго порядка, обеспечивает работу в любом спектральном диапазоне в зависимости от параметров зеркальных покрытий.
Комбинация такого объектива и широкоспектрального приемника излучения – это наиболее простой и технологичный с точки зрения построения и компоновки способ реализации мультиспектрального прибора.
Посредством установки блока фильтров, смена которых будет обеспечивать работу в нужном диапазоне спектра, можно получать изображения объектов с определенным информативным набором и работать в конкретных условиях наблюдения с оптимальным результатом. Смену фильтров можно заменить электронной селекцией спектрального диапазона – все зависит от интеллектуального наполнения прибора.В настоящее время уже известен целый ряд широкоспектральных приемников излучения. Один из них – болометрический приемник на базе сенсора Pico640E формата 640 Ч 480 элементов с размером пиксела 17 Ч 17 мкм производства фирмы ULIS.
Из российских предприятий широкоспектральными фотоприемными устройствами активно занимается Государственный Научный Центр Российской Федерации ФГУП "НПО "Орион". На предприятии имеется возможность изготовления многоэлементных фотоприемных устройств на основе халькогенида PbSe на спектральный диапазон от 0,5 до 5 мкм. График чувствительности таких фотоприемных устройств приведен на рис.14.
Рассмотренные варианты построения многофункциональных мультиспектральных систем позволяют с уверенностью говорить о широких возможностях, открывающихся для проектировщиков, создающих оптико-электронные приборы, предназначенные для работы на определенных частотах во всех диапазонах электромагнитного спектра и объединяющие в себе максимальное количество достоинств известных узкоспектральных приборов наблюдения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Chan L.A., Colberg A., Der S.et al. MIX and match for better vision. – SPIE’s OE Magazine, April 2002, p.18–20.
2. Луизов А.В. Глаз и свет. – Ленинград: Энергоатомиздат, 1983.
3. Медведев А.В., Гринкевич А.В., Князева С.Н. Практические достижения в технике ночного видения. – Ярославль: ОАО "Ростовский оптико-механический завод", ОАО "Ярославский полиграфкомбинат", 2009.
4. Медведев А.В., Гринкевич А.В., Князева С.Н. Практика конструктора оптико-электронной техники и техники ночного видения. – Ярославль: ОАО "Ростовский оптико-механический завод", ОАО "Ярославский полиграфкомбинат", 2013.
Отзывы читателей
